Работа стабилизатора на стабилитроне — основные параметры. Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе Схемы регулируемых параметрических стабилизаторов напряжения

Для многих электрических схем и цепей достаточно простого блока питания, который не имеет стабилизированной выдачи напряжения. Такие источники чаще всего включают в себя низковольтный трансформатор, диодный выпрямительный мост, и конденсатор, выступающий в виде фильтра.

Напряжение на выходе блока питания имеет зависимость от числа витков вторичной катушки трансформатора. Обычно напряжение бытовой сети имеет посредственную стабильность, и сеть не выдает нужные 220 вольт. Величина напряжения может плавать в интервале от 200 до 235 В. Значит, и напряжение на выходе трансформатора также не будет стабильным, а вместо стандартных 12 В получиться от 10 до 14 вольт.

Работа схемы стабилизатора

Электрические устройства, которые не чувствительны небольшим перепадам напряжения питания могут обойтись обычным блоком питания. А более капризные приборы уже не смогут работать без стабильного питания, и могут попросту сгореть. Поэтому есть необходимость во вспомогательной схеме выравнивания напряжения на выходе.

Рассмотрим схему работы , выравнивающего постоянное напряжение, на транзисторе и стабилитроне, который играет роль основного элемента, определяет, выравнивает напряжение на выходе блока питания.

Перейдем к конкретному рассмотрению электрической схемы обычного стабилизатора для выравнивания постоянного напряжения.

• Имеется трансформатор для понижения напряжения с переменным напряжением на выходе 12 В.
• Такое напряжение поступает на вход схемы, а конкретнее, на диодный выпрямительный мост, а также фильтр, выполненный на конденсаторе.
• Выпрямитель, выполненный на основе диодного моста, преобразует переменный ток в постоянный, однако получается скачкообразная величина напряжения.
• Полупроводниковые диоды должны работать на наибольшей силе тока с резервом 25%. Такой ток может создавать блок питания.
• Обратное напряжение не должно снижаться меньше, чем выходное напряжение.
• Конденсатор, играющий роль своеобразного фильтра, выравнивает эти перепады питания, преобразуя форму напряжения в практически идеальную форму графика. Емкость конденсатора должна находиться в пределах 1-10 тысяч мкФ. Напряжение должно быть тоже выше входной величины.

Нельзя забывать о следующем эффекте, что после электролитического конденсатора (фильтра) и диодного выпрямительного моста переменное напряжение повышается на величину около 18%. А значит, что в результате получается не 12 В на выходе, а около 14,5 В.

Действие стабилитрона

Следующим этапом работы является работа стабилитрона для стабилизации постоянного напряжения в конструкции стабилизатора. Он является главным функциональным звеном. Нельзя забывать, что стабилитроны могут в определенных пределах выдерживать стабильность на некотором постоянном напряжении при обратном подключении. Если подать напряжение на стабилитрон от нуля до стабильного значения, то оно будет повышаться.

Когда оно дойдет до стабильного уровня, то останется постоянным, с небольшим возрастанием. При этом будет увеличиваться сила тока, проходящего по нему.

В рассматриваемой схеме обычного стабилизатора, у которого выходное напряжение должно быть 12 В, стабилитрон определен для величины напряжения 12,6 В, так как 0,6 В будет являться потерей напряжения на переходе транзистора эмиттер – база. Выходное напряжение на приборе будет именно 12 В. А так как мы устанавливаем стабилитрон на величину 13 В, на выходе блока получится примерно 12,4 вольта.

Стабилитрон требует ограничения тока, предохраняющего его от излишнего нагревания. Судя по схеме, эту функцию осуществляет сопротивление R1. Оно включено по последовательной схеме со стабилитроном VD2. Другой конденсатор, выполняющий функцию фильтра, подключен параллельно стабилитрону. Он должен выравнивать возникающие импульсы напряжения. Хотя можно вполне обойтись и без него.

На схеме изображен транзистор VТ1, подключенный с общим коллектором. Такие схемы характеризуются значительным усилением тока, однако при этом по напряжению усиления нет. Отсюда следует, что на выходе транзистора образуется постоянное напряжение, имеющееся на входе. Так как эмиттерный переход забирает на себя 0,6 В, то на выходе транзистора получается всего 12,4 В.

Для того, чтобы транзистор стал открываться, необходим резистор для образования смещения. Такую функцию выполняет сопротивление R1. Если изменять его величину, то можно изменять выходной ток транзистора, а, следовательно, и выходной ток стабилизатора. В качестве эксперимента можно вместо резистора R1 подключить переменный резистор на 47 кОм. Регулируя его можно изменять выходную силу тока блока питания.

В конце схемы стабилизатора напряжения подключен еще один маленький конденсатор электролитического типа С3, который выравнивает импульсы напряжения на выходе стабилизированного устройства. К нему припаян по параллельной схеме резистор R2, который замыкает эмиттер VТ1 на отрицательный полюс схемы.

Заключение

Эта схема наиболее простая, включает в себя наименьшее количество элементов, создает стабильное напряжение на выходе. Для работы множества электрических устройств этого стабилизатора вполне достаточно. Такой транзистор и стабилитрон рассчитаны на наибольшую силу тока 8 А. Значит, что для подобного тока необходим охлаждающий радиатор, отводящий тепло от полупроводников.

Для чаще всего применяются стабилитроны, транзисторы и стабисторы. Они имеют пониженный КПД, поэтому используются только в маломощных схемах. Чаще всего они применяются в качестве источников основного напряжения в схемах компенсации стабилизаторов напряжения. Такие параметрические стабилизаторы бывают мостовыми, многокаскадными и однокаскадными. Это наиболее простые схемы стабилизаторов, построенных на основе стабилитрона и других полупроводниковых элементов.

Стабилизатор напряжения – это устройство, к входу которого подается напряжение с неустойчивыми или неподходящими параметрами для потребителя электроэнергии. На выводе стабилизатора напряжение уже обладает нужными (устойчивыми) параметрами, которые делают возможным снабжение электроэнергией восприимчивых к изменению вольтажа потребителей. А как работает стабилизатор напряжения, и для чего он нужен?

Стабилизация напряжения постоянного тока требуется, если входящий вольтаж слишком мал или велик для потребителя. При прохождении через поддерживающее устройство оно становится больше или меньше до нужного значения. При необходимости схема стабилизатора может быть составлена так, чтобы выводимое напряжение имело полярность, противоположную поступающему.

Линейные

Линейный стабилизатор – делитель, в который подается неустойчивое напряжение. Выходит оно уже выравненное, со стабильными характеристиками. Принцип работы заключается в постоянном изменении сопротивления для поддержания на выводе постоянного вольтажа.

Преимущества:

• Простая конструкция с небольшим количеством деталей;
• В работе не наблюдаются помехи.

Недостатки:

• При большом различии входящего и выходящего вольтажа линейный преобразователь тока выдает слабый КПД, поскольку большая часть вырабатываемой мощности превращается в тепло и рассеивается на регуляторе сопротивления. Поэтому появляется необходимость в установке контролирующего устройства на радиаторе достаточного размера.

Параметрический со стабилитроном, параллельный

Для схемы стабилизирующего ток устройства, в котором контролирующий работу элемент расположен параллельно нагруженной ветви, подходят газоразрядные и полупроводниковые стабилитроны.

Через стабилитрон должен проходить ток, превышающий от 3 до 10 раз ток в R L . Поэтому механизм подходит для выравнивания напряжения только в механизмах со слабым током. Обычно его используют как составной элемент преобразователей тока с более сложной начинкой.

Последовательный с биполярным транзистором

Принцип работы стабилизатора напряжения можно рассмотреть с помощью схемы устройства.

Видно, что она объединяет в себе два элемента:

1. Уже известный нам параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне;
2. Биполярный транзистор, который увеличивает ток с постоянным коэффициентом. Его еще называют эмиттерным повторителем.

Выводимое напряжение определяется по формуле: Uout = Uz - Ube. Uz – напряжение, поддерживаемое стабилитроном. Оно почти не зависит от тока, идущего через стабилитрон. Ube – разница вольтажа выходящего и стабилизируемого стабилитроном. Она почти не зависит от тока, который подается на p-n переход. Однако разница зависит от природы вещества (для кремния Ube – 0,6 В, для германия – 0,25 В). Именно из-за сравнительной независимости этих значений выводимое напряжение устойчиво.

При прохождении через трехслойный транзистор напряжение на выводе стабилизатора увеличивается. Если использование одного транзистора не удовлетворяет запросам потребителя энергии, то берется конструкция из нескольких транзисторов для увеличения тока до нужного значения.

Последовательный компенсационный на операционном усилителе

Компенсационный – значит с обратной связью. В этом стабилизаторе выводимое напряжение всегда сопоставляется с тем, что принято за эталон. Отличие между ними необходимо для формирования и передачи сигнала механизму, контролирующему вольтаж.

С резистора R2 снимается часть выходящего напряжения Uout, которая сравнивается с Uz (напряжение опорное) на стабилитроне, обозначенном на схеме как D1. Полученная разность проходит через операционный усилитель (на схеме U1) и передается управляющему транзистору.

Устойчивая работа обеспечивается при петлевом сдвиге фаз, который приближается к 180°+n*360°. Поскольку часть выходящего напряжения подается на усилитель, то последний сдвигает фазу на развернутый угол. Транзистор, включенный по схеме усилителя тока, не вызывает сдвига фаз. При этом петлевой сдвиг остается равным 180 о.

Импульсный

Электрический ток с неустойчивыми параметрами посредством коротких импульсов подается на накопительное устройство стабилизатора (в его роли выступает индуктивная катушка или конденсатор). Запасенная электроэнергия впоследствии выходит в нагрузку уже с другими параметрами. Возможно два варианта стабилизации:

1. Путем управления продолжительностью импульсов и пауз между ними (принцип широтно-импульсной модуляции );
2. Путем сравнивания выходящего напряжения с минимально и максимально допустимыми значениями. Если оно выше максимального, то накопитель перестает накапливать энергию и разряжается. Тогда на выводе напряжение становится меньше минимального. При этом накопитель снова начинает работать (принцип двухпозиционного управления ).

В зависимости от схемы импульсный выравниватель тока может преобразовывать напряжение до достижения разных результатов. Поэтому различают его разновидности:

• Понижающий (напряжение на выводе меньше, чем на вводе, но с той же полярностью);
• Повышающий (напряжение на выводе больше, чем на вводе, но с той же полярностью);
• Понижающе-повышающий (напряжение на выводе может быть больше или меньше, чем на вводе, но полярность та же). Устройства применяется, когда U на вводе и выводе сильно отличаются, но на вводе возможны нежелательные отклонения в большую или меньшую сторону;
• Инвертирующий (напряжение на выводе больше или меньше, чем на вводе, полярность противоположная).

Преимущества:

• Низкие потери энергии.

Недостатки:

• Импульсные помехи на выводе.

Стабилизаторы переменного напряжения

Стабилизатор переменного напряжения предназначен для поддержания постоянного тока на выводе, независимо от того, какими параметрами он обладает на вводе. Выводимое напряжение должно описываться идеальной синусоидой даже при резких скачках, падении или даже обрыве на вводе. Различают накопительные и корректирующие стабилизирующие устройства.

Стабилизаторы-накопители

Это устройства, которые сначала накапливают электроэнергию от входящего источника питания тока. Затем энергия генерируется заново, но уже с постоянными характеристиками, ток направляется к выходу.

Система «двигатель – генератор»

Принцип работы заключается в преобразовании электрической энергии в кинетическую с помощью электродвигателя. Затем генератор обратно преобразует ее из кинетической в электрическую, но ток уже обладает конкретными и постоянными характеристиками.

Клюевой элемент системы – маховик, который накапливает в себе кинетическую энергию и стабилизирует выводимое напряжение. Маховик жестко соединен с подвижными частями двигателя и генератора. Он очень массивный и обладает большой инерцией, сохраняющей скорость, которая зависит только от фазной частоты. Поскольку скорость вращения маховика относительно постоянна, напряжение остается постоянным даже при значительных провалах и скачках на вводе.

Система «двигатель-генератор» подходит для напряжения с тремя фазами. Сегодня она используется только на стратегических объектах. Ранее применялась для запитывания быстродействующих электронных вычислительных машин.

Феррорезонансный

Устройство включает в себя:

• Индуктивная катушка с насыщенным сердечником;
• Катушка индуктивности с ненасыщенным сердечником (внутри есть магнитный зазор);
• Конденсатор.

Поскольку катушка с насыщенным сердечником имеет постоянное напряжение, независимо от тока, который по нему идет, путем подбора характеристик второй катушки и конденсатора можно добиться стабилизации напряжения в нужных пределах.

Принцип действия полученного механизма можно сравнить с качелями, которые трудно резко остановить или заставить качаться с большей скоростью. Даже нет необходимости каждый раз подталкивать качели, потому что колебательное движение – инерционный процесс. Поэтому допустимы сильные провалы и обрывы напряжения. Частоту колебаний тоже трудно поменять, поскольку у системы собственная установившаяся частота.

Феррорезонансные стабилизаторы были популярными в советские времена. Их использовали для снабжения электроэнергией телевизоров.

Инверторный

В схему инверторного стабилизатора включаются:

• Входные фильтры;
• Выпрямитель с устройством, изменяющим мощностной коэффициент;
• Конденсаторы;
• Микроконтроллер;
• Преобразователь напряжения (из постоянного в переменное).

Принцип работы основан на двух процессах:

1. Сначала входящий переменный ток преобразуется в постоянный при проходе через корректор и выпрямитель. Энергия накапливается в конденсаторах;
2. Затем постоянный ток преобразуется в переменный выходящий. Из конденсатора ток идет к инвертору, который трансформирует ток в переменный, но с неизменными параметрами.

Пример (принцип работы стабилизатора напряжения 220В): на вводе напряжение меньше или больше 220В, его форма не соответствует синусоиде. После прохождения через выпрямитель и корректор ток становится постоянным, форма напряжения – идеальная синусоида. После прохождения через инвертор к выходу устремляется переменный синусоидальный ток с частотой 50 Гц и напряжением 220В.

Благодаря высокой отдаче механизма (КПД близко к 100%) такой стабилизатор используют для дорого оборудования медицинского и спортивного назначения.

ИБП

Источники бесперебойного питания по конструкции и принципу действия аналогичны инверторным преобразующим устройствам. Сходство заканчивается на том, что накопление электроэнергии происходит не в конденсаторе, а в аккумуляторе, из которого выходит ток с нужными для потребителя параметрами.

ИБП необходимы для запитывания вычислительной техники, поскольку они не только стабилизируют напряжение, но и исключают сбой работы программ при аварийном отключении. Пример: если произойдет обрыв вольтажа, то накопленной в аккумуляторе энергии хватит для правильного завершения работы компьютера. Все данные будут сохранены, а компьютерная «начинка» останется целой.

Корректирующие

К корректирующим стабилизаторам относят преобразователи напряжения, которые изменяют его за счет добавочного потенциала, которого не доставало для получения необходимого для потребителя значения.

Электромагнитный

Другое название – ферромагнитный. От феррорезонансного отличается отсутствием конденсатора, более низкой мощностью и большими размерами.

Если линейный реактор (на схеме L1) включить последовательно с резистором Rh, а нелинейный реактор L2 включить параллельно Rh, то как бы ни менялось входящее напряжение, выводимое будет постоянным. Это обусловлено работой второго реактора в режиме насыщения, отчего вольтаж на нем не меняется при меняющемся токе. В связи с этим меняющееся напряжение на вводе не оказывает влияние на значение на выводе. Оно лишь перераспределяется между L1 и L2. Прирост от входящего значения полностью уходит на L1.

Электромеханический и электродинамический

Это два схожих по конструкции вида стабилизаторов, представляющих собой вольтодобавочный трансформатор. В них напряжение преобразуется за счет перемещения узла, снимающего ток у входа, по трансформаторной обмотке. В результате коэффициент стабилизации меняется мягко до той величины, которая нужна для выходящего напряжения.

В электромеханическом выравнивателе управление реализовывается щетками, которые быстро изнашиваются, поскольку это подвижные элементы. Снизить изнашиваемость удается в электродинамическом аналоге, в котором щетки заменены роликом.

Это единственные преобразователи тока, которые не только обеспечивают гладкую его трансформацию, но и формируют из него синусоиду. На выводе значение относительно неизменно, максимальное отклонение от номинала не превышает 3%. Такая подача энергии оптимальна для бытовой и производственной техники.

Преимущества:

• Широкий диапазон входящего напряжения (130-260В);
• Отсутствие помех на выводе;
• Возможность перегрузки до 200% на полсекунды;
• Бесшумная работа (если нет перегрузки);
• Отличная помехоустойчивость.

Недостатки:

• Нельзя применять при морозах (конструкция может работать только при непродолжительных легких заморозках и до 40 градусов тепла);
• Низкая скорость стабилизации (проблема решается путем добавления количества щеток).

К преимуществам электродинамического аналога стоит отнести его способность работать при отрицательных температурах (не более 15 градусов мороза). Еще один плюс: конструкция выдерживает перегрузки на 200% до 120 секунд.

Релейный

Принцип работы релейного стабилизатора напряжения схож с работой других автотрансформаторных преобразователей с регулировкой по ступеням за счет включения/выключения отдельных обмоток силового автоматического трансформатора с помощью электромеханических реле. Поэтому повышение и понижение выходящего напряжения – это параллельный процесс повышения и понижения на вводе поддерживающего устройства.

Особенность релейного преобразователя – выводимое значение всегда меняется в пределах ступени. Например, задан диапазон допустимых значений от 215 до 220 Вольт. Это значит, что напряжение будет постоянно меняться в этих рамках, в то время как на вводе этот диапазон может составлять 200-230 Вольт. Размах ступени зависит от количества обмоток: чем их больше, тем меньше диапазон, и тем более ровное будет напряжение на выводе.

Из этого можно сделать вывод, что качественный стабилизатор не может показывать на экране только 220 Вольт. Если же значение не меняется, можно сделать вывод, что светодиоды расположены именно в форме числа «220» и никакого другого числа они показать не могут. Так делают недобросовестные производители для уменьшения себестоимости преобразователей переменного тока.

Преимущества:

• Высокая скорость стабилизации;
• Небольшие размеры;
• Большой диапазон напряжения на вводе (от 140 до 270 Вольт);
• Низкая восприимчивость к изменениям входящего напряжения;
• Допустимая перегрузка в 110% на 4 секунды;
• Бесшумная работа;
• Возможность работы от -20 до +40 градусов Цельсия.

Недостатки:

• Ступенчатая (а не плавная) стабилизация (свет моргает при большом диапазоне ступени);
• Скорость стабилизации зависит от точности выходящего напряжения: чем точнее вольтаж, тем меньше скорость.

Электронный

Если вам нужно преобразовывать ток с неустойчивыми параметрами, то обратите внимание на электронный стабилизатор. Электронное устройство стабилизатора напряжения 220 вольт – это аналог релейного преобразователя. Разница между ними заключается только в способе смены включенной в нагруженную цепь трансформаторных обмоток.

В данной конструкции переключение происходит не благодаря наличию реле, а за счет симисторов или тиристоров. Так как механические детали отсутствуют, срок службы устройства резко возрастает. В сочетании с приемлемой стоимостью этот вариант для бытовой техники является оптимальным. В остальном преимущества и недостатки совпадают с теми, что указаны для релейного преобразователя.

Гибридный

В 2012 году в продаже появился новый вид стабилизатора – гибридный. Он представляет собой электромеханическое устройство, в конструкцию которого дополнительно входят два релейных преобразователя.

Основной элемент — электромеханический. Релейные элементы включаются в работу только тогда, когда последний уже не может выдать на выводе 220 Вольт. Это бывает, если входящее напряжение либо слишком низкое, либо слишком высокое. Так, электромеханический преобразователь работает при 144-256В. А релейный включается, когда значение опускается ниже 144В или поднимается выше 256В. Максимальный диапазон составляет 105-280 Вольт.

Гибридные преобразователи подходят для бесперебойного энергоснабжения потребителей электроэнергии в частном доме, квартире, офисе или даже магазине.

Качество и срок службы электроприборов зависит от параметров подаваемой энергии. При резких скачках, обрывах или провалах вольтажа техника выходит из строя. Противостоять этому может только бесперебойное энергоснабжение с напряжением условленного значения. Именно его позволяют получить стабилизаторы напряжения, без которых невозможна современная жизнь.

Итак, справа изображена схема простейшего транзисторного стабилизатора напряжения.

Обозначения:

1. I к — коллекторный ток транзистора
2. I н — ток нагрузки
3. I б — ток базы транзистора
4. I R — ток через балластный резистор
5. U вх — входное напряжение
6. U вых — выходное напряжение (падение напряжения на нагрузке)
7. U ст — падение напряжения на стабилитроне
8. U бэ — падение напряжения на p-n переходе база-эмиттер транзистора

Как такой стабилизатор работает и чем его работа отличается от работы ? Да почти ничем их работа не отличается, — напряжение на выходе схемы остаётся стабильным в результате наличия на вольт-амперных характеристиках (стабилитрона и p-n перехода база-эмиттер транзистора) участков, на которых падение напряжения слабо зависит от тока. То есть как и у всех параметрических стабилизаторов стабильность достигается внутренними свойствами компонентов.

Действительно, как видно из рисунка, падение напряжения на нагрузке равно разности падений напряжений на стабилитроне и на p-n переходе БЭ транзистора. Поскольку падение напряжения на стабилитроне слабо зависит от тока (на рабочем участке оно равно напряжению стабилизации), падение напряжения на прямосмещённом p-n переходе тоже слабо зависит от тока (для кремниевого транзистора его можно взять примерно таким же, как для обычного кремниевого диода — примерно 0,6 Вольт), то получается, что и выходное напряжение тоже постоянно.

Теперь добавим немного математики.

С напряжением на нагрузке (выходным напряжением) уже всё понятно: U вых =U ст -U бэ , давайте рассчитаем R 0 и область нормальной работы стабилизатора. Но прежде нарисуем рядом два рисуночка — кусок схемы нашего стабилизатора и кусок простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне:

Похоже, не правда ли? Более того, рассуждения и выводимые из них соотношения для расчёта R 0 и области нормальной работы тоже очень похожи.

Уравнение, описывающее токи и напряжения для выдранного выше куска схемы нашего стабилизатора:

U вх =U ст +I R R 0 , учитывая что I R =I ст +I б, получим

U вх =U ст +(I ст +I б)R 0 (1)

Для нормальной работы стабилизатора (чтобы напряжение на стабилитроне всегда было в пределах от U ст min до U ст max) необходимо, чтобы ток через стабилитрон всегда был в пределах от I ст min до I ст max . Минимальный ток через стабилитрон будет течь при минимальном входном напряжении и максимальном токе базы транзистора. Зная это, найдём сопротивление балластного резистора :

R 0 =(U вх min -U ст min)/(I б max +I ст min) (2)

Если учесть, что в нашем случае, когда транзистор включен по схеме с общим коллектором, ток базы связан с током эмиттера соотношением I э =I б (h 21Э +1), ток эмиттера равен току нагрузки (потому что в цепь эмиттера же у нас нагрузка включена), а напряжение на стабилитроне в рабочем режиме меняется незначительно (вместо U ст min возьмём просто U ст), то получим, что

R 0 =(U вх min -U ст)/(I н max /(h 21Э +1)+I ст min) (3)

h 21Э +1 — это коэффициент усиления по току для схемы с общим коллектором (h 21K), но поскольку h 21Э обычно достаточно большой, то нередко слагаемое «+1» выкидывают и считают, что h 21К =h 21Э, тогда формула (3) становится чуть проще:

R 0 =(U вх min -U ст)/(I н max /h 21Э +I ст min)

Максимальный ток через стабилитрон будет течь при минимальном токе базы транзистора и максимальном входном напряжении. Учитывая это и сказанное выше относительно минимального тока через стабилитрон, с помощью уравнения (1) можно найти область нормальной работы стабилизатора:

Перегруппировав это выражение, получим:

Или, по другому:

Если считать, что минимальное и максимальное напряжение стабилизации (U ст min и U ст max) отличаются незначительно (первое слагаемое в правой части можно считать равным нулю), а также то, что I н =I э =I б h 21Э («+1» — выкинем), тогда уравнение, описывающее область нормальной работы стабилизатора , примет следующий вид:

Из этой формулы хорошо видно преимущество такого транзисторного стабилизатора над параметрическим стабилизатором на стабилитроне — при прочих равных параметрах у транзисторного стабилизатора выходной ток может меняться в более широких пределах.

Для примера опять возьмём стабилитрон КС147А (I ст =3..53мА), и прикинем на какой максимальный ток мы сможем рассчитывать при понижении напряжения с 6..10В до 5В при условии, что выходной ток может меняться от нуля до I max . Транзистор возьмём КТ815А (h 21Э =40). Решив совместно систему уравнений (3), (4), получим R 0 около 110 Ом и максимальный ток порядка 550 мА.

Однако стоит заметить, что нестабильность выходного напряжения в данном случае будет ещё хуже, поскольку теперь к нестабильности напряжения на стабилитроне добавится ещё нестабильность падения напряжения на p-n переходе транзистора. Плюс мы ещё не учли, что выходное напряжение будет меньше, чем на стабилитроне на величину падения напряжения на p-n переходе, так что по хорошему нам бы надо было взять стабилитрон не на 4,7В, а на 5,1 или даже на 5,6 Вольт (я специально взял для примера такой же стабилитрон, как и в , чтобы нагляднее было видно насколько при одном и том же стабилитроне будет отличаться ток нагрузки).

Собственно, методы борьбы с нестабильностью здесь совершенно аналогичные — нужно как-то уменьшить нестабильность напряжения на стабилитроне. Для этого можно, как и в прошлый раз, взять более узкий рабочий участок ВАХ стабилитрона. Это естественно, также приведёт к сужению области нормальной работы (потому что диапазон изменения рабочего тока стабилитрона уменьшится), но в данном случае, когда область нормальной работы и так шире, чем у параметрического стабилизатора на стабилитроне (примерно в h 21Э раз), мы вполне можем себе позволить отказаться от части диапазона выходного тока и/или части диапазона входного напряжения ради увеличения стабильности выходного напряжения.

Ещё больше увеличить область нормальной работы можно, если использовать два транзистора, включенные по схеме Дарлингтона или Шиклаи (рисунок слева). В этом случае h 21Э будет гораздо больше.

Ну и самый писк — сделать , поскольку коэффициент усиления ОУ не просто больше, а значительно, гораздо, во много — много раз больше, чем у любого транзистора (соответственно, мы сможем в ещё более узком диапазоне менять ток через стабилитрон, получим ещё меньшее изменение напряжения на нём и, как следствие, — ещё более стабильное выходное напряжение).

Есть другой вариант — можно вместо обычного стабилитрона взять интегральный стабилитрон, например, TL431. В этом случае, кроме значительно меньшей нестабильности, получим ещё и возможность регулирования выходного напряжения.

На закуску скажу, что лёгким движением руки такой стабилизатор напряжения можно превратить в стабилизатор тока (нужно просто стабилизировать напряжение не на нагрузке, а на специальном токоизмерительном резисторе).

Приведена техника упрощенного расчета параметрического стабилизатора напряжения на транзисторах. Схема простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе показана на рисунке 1.

Простой параметрический стабилизатор напряжения

Входное напряжение Uвх должно быть существенно выше напряжения стабилизации стабилитрона VD1. А чтобы стабилитрон не вышел из строя ток через него ограничен постоянным резистором R1. Выходное напряжение Uвых будет равно напряжению стабилизации стабилитрона, а с выходным током ситуация сложнее.

Дело в том, что у каждого стабилитрона есть некий диапазон рабочего тока через него, например, минимальный ток стабилизации 5 mA, а максимальный 25 mA. Если мы подключаем на выходе такого стабилизатора нагрузку, то часть тока начинает протекать через неё.

И величина максимального значения этого тока будет зависеть и от сопротивления R1 и от минимального тока стабилизации стабилитрона, - максимальный ток нагрузки будет уменьшен на минимальный ток стабилизации стабилитрона. То есть, получается, что чем меньше сопротивление R1, тем больший ток можно отдать в нагрузку. В то же время, ток через R1 не должен быть больше максимального тока стабилизации стабилитрона.

Рис. 1. Схема простейшего параметрического стабилизатора на стабилитроне и резисторе.

Так как, во-первых, стабилитрону необходим некий запас на поддержания напряжения на выходе стабильным, а во-вторых, стабилитрон может выйти из строя при превышении максимального тока стабилизации, что может при отключении нагрузки или её работе на режиме с низким током потребления.

Стабилизатор по такой схеме очень не эффективен и годится для питания только цепей, потребляющих ток не более максимального тока стабилитрона. Поэтому стабилизаторы по схеме на рис.1 используются только в схемах с небольшим током нагрузки.

Стабилизатор напряжения с применением транзистора

Если нужно обеспечить более-менее значительный ток нагрузки и снизить его влияние на стабильность нужно усилить выходной ток стабилизатора при помощи транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя (рис.2).

Рис. 2. Схема параметрического стабилизатора напряжения на одном транзисторе.

Максимальный ток нагрузки данного стабилизатора определяется по формуле:

Ін = (Іст - Іст.мин)*h21э.

где Іст. - средний ток стабилизации используемого стабилитрона, h21э - коэффициент передачи тока базы транзистора VT1.

Например, если использовать стабилитрон КС212Ж (средний ток стабилизации = (0,013-0,0001)/2 = 0,00645А), транзистор КТ815А с h21 э - 40) мы сможем получить от стабилизатора по схеме на рис.2 ток не более: (0,006645-0,0001)40 = 0,254 А.

К тому же, при расчетах выходного напряжения нужно учитывать, что оно будет на 0,65V ниже напряжения стабилизации стабилитрона, потому что на кремниевом транзисторе падает около 0,6-0,7V (примерно берут 0,65V).

Возьмем такие исходные данные:

• Входное напряжение Uвх = 15V,
• выходное напряжение Uвых = 12V,
• максимальный ток через нагрузку Ін = 0,5А.

Возникает вопрос, что выбрать - стабилитрон с большим средним током или транзистор с большим h21э?

Если у нас есть транзистор КТ815А с h21э = 40, то, следуя формуле Ін = (Іст -Іст.мин)h21э, нам потребуется стабилитрон с разницей среднего тока и минимального 0,0125А. По напряжению он должен быть на 0,65V больше выходного напряжения, то есть 12,65V. Попробуем подобрать по справочнику.

Вот, например, стабилитрон КС512А, напряжение стабилизации у него 12V, минимальный ток 1 мА, максимальный ток 67 мА. То есть средний ток 0,033А. В общем подходит, но выходное напряжение будет не 12V, а 11,35V.

Нам же нужно 12V. Остается либо искать стабилитрон на 12,65V, либо компенсировать недостаток напряжения кремниевым диодом, включив его последовательно стабилитрону как показано на рисунке 3.

Рис.3. Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения, дополненного диодом.

Теперь вычисляем сопротивление R1:

R = (15 -12) / 0,0125А = 160 Ом.

Несколько слов о выборе транзистора по мощности и максимальному току коллекто-ра. Максимальный ток коллектора Ік.макс. должен быть не менее максимального тока нагрузки. То есть в нашем случае, не менее 0,5А.

А мощность должна не превышать максимально допустимую. Рассчитать мощность, которая будет рассеиваться на транзисторе можно по следующей формуле:

Р=(Uвх - Uвых) * Івых.

В нашем случае, Р= (15-12)*0,5=1,5W.

Таким образом, Ік.макс. транзистора должен быть не менее 0,5А, а Рмакс. не менее 1,5W. Выбранный транзистор КТ815А подходит с большим запасом (Ік.макс.=1,5А, Рмакс.=10W).

Схема на составном транзисторе

Увеличить выходной ток без увеличения тока через стабилитрон можно только увеличив h21э транзистора. Это можно сделать если вместо одного транзистора использовать два, включенных по составной схеме (рис.4). В такой схеме общий h21э будет примерно равен произведению h21э обоих транзисторов.

Рис. 4. Принципиальная схема стабилизатора напряжения на основе составного транзистора.

Транзистор VT1 берут маломощный, а VT2 на мощность и ток, соответствующий нагрузке. Все рассчитывается примерно так же, как и в схеме по рисунку 3. Но теперь у нас два кремниевых транзистора, поэтому выходное напряжение снизится не на 0,65V, а на 1,ЗV.

Это нужно учесть при выборе стабилитрона, - его напряжение стабилизации (при использовании кремниевых транзисторов) должно быть на 1,ЗV больше требуемого выходного напряжения. К тому же появился резистор R2. Его назначение - подавлять реактивную составляющую транзистора VТ2, и обеспечивать надежную реакцию транзистора на изменение напряжения на его базе.

Величина этого сопротивления слишком уж существенного значения не имеет, но и за пределы разумного выходить не должна. Обычно его выбирают примерно в 5 раз больше сопротивления R1.

Для работы электронной аппаратуры необходимо напряжение, обладающие точно заданными характеристиками. Но в промышленной сети напряжение постоянно меняется. Его уровень зависит от подключенных в систему предприятий, зданий и оборудования. Функционирование любого прибора напрямую зависит от напряжения, колебания данного параметра влияют на качество работы, например, при перепадах приемник может начать хрипеть или гудеть. Для того чтобы решить данную проблему, используют стабилизаторы на транзисторе.

Принцип работы стабилизатора

Одна часть этого оборудования отвечает за сравнение с эталонным значением, а другая – управляет параметрами. Если входящий параметр оказывается больше требуемого показателя, то система снижает его. Если же значение меньше, то характеристики повышаются. По этой же схеме регулируется вода в кране: когда поток меньше, чем надо, вентиль закручивается и наоборот.

Принцип стабилизации применяется на самом разном оборудовании, начиная от утюгов и заканчивая космической отраслью. Разница заключается только в технологии контроля и управления показателями.

Важно! Согласно существующему ГОСТу, напряжение в сети может изменяться в пределах до 5%, а в реальных условиях и 10% от указанного значения. Для качественного функционирования оборудования этот показатель не может превышать 0,1%.

Самая простая схема стабилизатора напряжения содержит всего лишь 2 элемента:

1. источник опорного напряжения – стабилитрон VD1;
2. балластный резистор R1.

Стабилитроном называют диод, который при определенных значениях напряжения стабилизации (обратно приложенного) начинает пропускать ток в обратном направлении. Если напряжение растет, при уменьшении внутреннего сопротивления стабилитрон продолжает удерживать напряжение в заданном значении. Принцип работы можно увидеть на схеме стабилизатора напряжения.

Если обратное напряжение растет, то стабилитрон оказывает сопротивление, а, значит, ток на выходе минимален. При достижении заданного параметра ток начинает расти. Затем, доходя до точки 1 на вольтамперной характеристике, напряжение перестает расти, несмотря на повышение показателей тока. На p-n переходе напряжение увеличивается только на резисторе, стабилитрон работает в заданном режиме. Конечно, любой стабилитрон может удерживать напряжение только в заданном значении, и после повышения показателей до точки 2 элемент может начать греться и выйти из строя. Расстояние между точками 1 и 2 называется рабочим участком.

Такой простой метод стабилизации подходит только для сетей, в которых применяют малые токи. Для того чтобы повысить нагрузочную способность, применяется эмиттерный повторитель в виде биполярного транзистора. Данный элемент повторяет приложенное напряжение. За счет этого нагрузка может быть на порядок больше. Можно использовать схему из нескольких транзисторов, тогда нагрузка еще сильнее увеличится.

При создании таких схем важно учесть, что из-за падения на участке p-n перехода выходное напряжение уменьшится. Поэтому необходимо выбирать стабилитрон с учетом потерь на переходах на транзисторах. На рисунке в схеме с двумя транзисторами также можно увидеть еще один резистор. Его используют для ликвидации реактивной составляющей второго транзистора.

Принципы расчета характеристик

Основными показателями стабилизатора являются максимальное выходное напряжение Uвых, минимальное выходное напряжение Uвых1 и максимальный ток Imax. Допустим, что эти величины составляют 14 Вольт, 1,5 Вольта и 1 Ампер, соответственно. Вычисляем входное напряжение по формуле:

Uвх=Uвых+ 3, где 3 – это коэффициент падения напряжение на переходе коллектор – эмиттер.

Обратите внимание! Паспортные параметры транзистора должны обеспечивать функционирование в полуоткрытом режиме и выдерживать разницу напряжений, возникающую между выходным напряжением и выходными данными.

• Pmax=1.3(Uвх-Uвых)Imax=1.3(17-14)=3.9 Вт;
• Pmax=1.3(Uвх-Uвых1)Imax=1.3(17-1.5)=20,15 Вт.

Как видно, большее значение получается при расчете для минимального входного напряжения, и эта величина будет правильной, для того чтобы подобрать транзистор по справочнику. У нас это будет КТ817.

Важно! Значение напряжение должно быть больше входного значения, а ток – больше заданного максимального значения. Иначе элемент будет работать на пределе возможностей и быстро выйдет из строя.

Теперь нужно учесть Iб max – ток базы самого транзистора:

Iб max=Imax/h21Э min, где h21Э min – коэффициент передачи тока (в нашем случае эта величина равна 25).

Iб max=1/25=0.04 А.

Зная эти показатели, можно определить характеристики стабилизатора напряжения на транзисторе. Стабилизированное напряжение равно 14 вольтам, а ток по формуле – 0.04 А. По этим показателям подходит Д814Д, но в этом случае ток базы будет составлять 0,005 А, то есть надо понизить выходные значение. Для этого используется второй транзистор (КТ315). За счет его использования нагрузка уменьшится на величину максимального коэффициента передачи тока второго транзистора (у нас h21Э=30). Таким образом, ток будет составлять 0,04/30=0,00133 мА.

Теперь определим показатели для Rб – балластного резистора:

Rб=(Uвх-Uст)/(Iб max+Iст min)=(17-14)/(0,00133+0,005) = 474 Ом, где:

• Iст min – ток стабилизации;
• Uст – напряжение стабилизации стабилитрона.

Затем считаем балластную мощность:

Prб=(Uвх-Uст)2/Rб=(17-14)2/473=0,02 Вт.

Параметры дополнительного резистора рассчитывают редко, при выборе этой детали нужно учесть только одно, что его значение тока должно быть меньше максимально нагрузочного. У нас используется резистор с сопротивлением в 1 Ом.

Компенсационные стабилизаторы

Рассмотренные выше схемы представляют собой параметрические стабилизаторы, то есть устройства, работающие на стабилитроне. Более точными считаются компенсационные схемы, где присутствует обратная связь, и уже стабилизирующую составляющую сравнивают с эталонными значениями. Основным преимуществом таких устройств является точное выходное напряжение, на которое практически не оказывает влияния ток нагрузки, тогда, как у параметрических систем именно нагрузка влияет на всю работу транзисторного стабилизатора.

Схема стабилизатора компенсационного типа может быть последовательной и параллельной. В первом варианте регулирующими элементами обычно являются транзисторы.

На схеме:

• Р – регулирующий элемент;
• И – источник опорного (эталонного) напряжения;
• ЭС – элемент сравнения;
• У – усилитель постоянного тока.

Выходное напряжение для последовательного стабилизатора определяется по вышеуказанной формуле, где R4’ и R4’’, соответственно, верхняя и нижняя величина резистора R4. Транзистор VT1 выполняет роль регулирующего элемента, а VT2 стабилизирует, то есть сравнивает и при необходимости усиливает показатели. Источником опорного напряжения является стабилитрон VD1. Между базой и эмиттером VT2 напряжение определяется как разность UОП и UРЕГ. Если на нагрузке идет рост напряжения, то UРЕГ увеличивает и эмиттерные, и коллекторные токи VT2. Далее по схеме коллекторный ток идет на резистор R1, что вызывает падание напряжения. Это напряжение обратно по полярности для эмиттерной части VT1, поэтому коллекторные и эмиттерные токи данного транзистора падают, а номинальное напряжение на нагрузке восстанавливается.

Для плавной регулировки на выходной цепи стабилизатора используется делитель напряжения, состоящий из R3, R4, R5. Ступенчатое регулирование происходит с помощью опорного напряжения стабилитрона.

В компенсационном стабилизаторе напряжения параллельного типа при возникновении отклонения значения от номинального появляется сигнал рассогласования, который составляет разницу между опорным и выходным напряжением. Далее этот сигнал усиливается на регулирующей части, которая стоит параллельно нагрузке. За счет этого ток на регулирующем элементе изменяется, напряжение на резисторе R1 падает, а на выходе сохраняются постоянные показатели:

U1=U0–IBXR1=const.

Важно! КПД стабилизаторов параллельного типа небольшое, поэтому подобные схемы используются довольно редко.

Импульсные стабилизаторы

Кроме компенсационных и параметрических стабилизаторов, существуют импульсные схемы, в которых коэффициент полезного действия самый большой, даже если диапазон входных напряжений достаточно большой. Работа этих устройств основана на том, что регулирующий элемент отключается и выключается в импульсном режиме. Общая схема стабилизатора состоит из ключа, накопителя энергии и цепи управления. Накопитель и ключ вместе представляют силовую часть, вместе с цепью они составляют контур регулирования.

Импульсный стабилизатор напряжения можно собрать на основе 3 транзисторов. При этом VT1, VT2 составляют ключевой регулирующий элемент, а VT3 необходим для усиления сигнала рассогласования.

Алгоритм работы следующий:

1. С коллектора VT2 через конденсатор С2 на базу VT1 поступает напряжение положительной обратной связи;
2. VT2 при насыщении током от резистора R2 открывается;
3. На коллекторно-эмиттерном переходе при насыщенном VT1 меньше, чем напряжение для открывания VT2, значит, когда VT1 открыт, VT2 закрытый;
4. Усилитель на VT3 через эмиттер подключен к стабилитрону VD2, а база – к делителю выходного напряжения R5, R6, R7;
5. Таким образом, VT1 управляет закрыванием и открыванием VT2 по сигналу от VT3;
6. Когда VT2 открыт, происходит накопление энергии в дросселе, после закрывания энергия идет в нагрузку.

Каждая из представленных схем позволит собрать простейшей вариант стабилизаторов.

Видео